Bữa trước thấy ICTC Training Center có đố 1 bài về thiết kế RTL để hiển thị một số nhị phân 8-bit ra LED 7 đoạn cathode chung. Để làm được project này thì các bạn cần nắm rõ 5 nội dung sau:
- Nguyên lý hoạt động của LED 7 đoạn cathode chung
- Cách chuyển đổi từ số nhị phân sang BCD
- Cách chuyển từ BCD sang code điều khiển LED 7 đoạn
- Cách viết RTL code mô tả mạch
- Cách viết testbench kiểm tra thiết kế
Chủ đề 1: Nguyên lý LED 7 đoạn cathode chung
Đây là topic rất phổ biến với sinh viên ngành điện tử. LED 7 đoạn gồm 7 thanh LED được sắp xếp hình chữ số và 1 dấu chấm (dp). Ở bài này chúng ta không quan tâm đến dp. Mỗi thanh LED sẽ sáng khi được cấp đúng mức logic. Với loại cathode chung, tất cả chân âm (cathode) nối chung với nhau và được nối đất. Khi muốn sáng một thanh LED, ta đưa logic 1 (mức cao) vào anode của thanh đó. Sơ đồ vị trí các thanh a, b, c, d, e, f, g đã có trong hình minh họa.
Ví dụ: Muốn hiển thị số 1, cần sáng thanh b và c.
Chủ đề 2: Chuyển đổi số nhị phân sang BCD
BCD (Binary Coded Decimal) là dạng mã hóa trong đó mỗi chữ số thập phân (0–9) được biểu diễn bằng 4-bit nhị phân.
Ví dụ số 1100 (Binary), viết ở dạng decimal là 12. Vậy viết ở dạng BCD sẽ là 0001 0010 (BCD).
Tại sao phải chuyển từ binary sang BCD?
Bởi vì LED 7 đoạn chỉ dễ dàng hiển thị các chữ số thập phân (0–9). Do đó, ta phải tách số nhị phân thành từng chữ số thập phân rồi đưa ra 7 đoạn.
Ví dụ:
Input: 1100_1010 (202). Có 3 chữ số thập phân để hiển thị lên led 7 đoạn. Mã BCD tương ứng là 0010_0000_0010
Thuật toán chuyển đổi:
Một cách phổ biến để chuyển đổi Binary to BCD là thuật toán Shift-and-Add-3 (Double Dabble) theo trình tự như sau:
- Bắt đầu từ số nhị phân cần chuyển.
- Dịch bit sang trái, mỗi lần dịch kiểm tra nhóm 4 bit BCD: nếu ≥ 5 thì cộng thêm 3.
- Lặp lại cho đến khi hết bit.
Ở ví dụ đầu tiên với Binary 1100 (12 decimal)
BCD ban đầu: 0000 0000 (tương ứng với 2 chữ số decimal)
Vòng lặp 1: dịch trái binary vào BCD. MSB của binary sẽ dịch vào LSB của BCD.
BCD: 0000_0001
Binary còn lại: 100
Vòng lặp 2: tiếp tục dịch trái binary vào BCD
BCD: 0000_0011
Binary còn lại: 00
Vòng lặp 3: tiếp tục dịch trái binary vào BCD
BCD: 0000_0110 (0110 đã >= 5, ta sẽ +3 vào là bằng 9)
–> new BCD: 0000_1001
Binary còn lại: 0
Vòng lặp 4: tiếp tục dịch trái binary vào BCD
BCD: 0001_0010
Đã dịch hết 4bit binary
sau 4 vòng lặp, ta đã tìm ra được số BCD là 0001_0010 (12).
Mã BCD cho chữ số hàng chục và đơn vị lần lượt là 0001 và 0010.
Ở hình bên dưới là một ví dụ khác về việc chuyển đổi này.
Chủ đề 3: Chuyển đổi số BCD thành mã LED 7 đoạn
Sau khi có các chữ số BCD, ta cần chuyển sang mã điều khiển LED 7 đoạn. Có thể dùng bảng tra cứu (lookup table). Bảng này sẽ ánh xạ từng số (0–9) sang dạng 7 đoạn (a-g). Bảng tra này đã được cung cấp trong đề bài.
Chủ đề 4,5: Sau khi đã xác định được hường giải quyết, ta sẽ dùng RTL code để mô tả mạch. Sau đó viết testbench để kiểm tra thiết kế. Các bạn có thể tham khảo bài của một bạn đã giải như hình bên dưới, mình xin phép đăng lại cho các bạn khác tham khảo nhé.
Kết luận: đây là một mini project tương đối khó nhằn cho các bạn mới, đòi hỏi phải có thời gian suy ngẫm và nghiên cứu. Nó không chỉ khó ở giải thuật convert từ binary sang BCD mà còn khó ở cách bạn dùng RTL để mô tả hoạt động của mạch.
Hi vọng đề tài nhỏ này sẽ đem lại cho các bạn sự hứng thú khi tìm hiểu về mạch số. Bạn nào có FPGA có thể mô phỏng thử luôn nhé.
